TheVibrationAnalysisHandbook第五章滚动轴承的诊断中英对照.docx

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TheVibrationAnalysisHandbook第五章滚动轴承的诊断中英对照

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CHAPTERFIVE:

AccurateDiagnosisofAntifrictionBearings

章节5

滚动轴承的精确诊断

INTRODUCTION简介

Thischapterdescribesproceduresforidentifyingdefectsinantifrictionbearingsbyanalyzingfrequenciesgeneratedbythemovingparts.Defectsonbearingraceways,rollingelements,andthecagegeneratedifferentfrequencies.Thespectrumshape,amplitude,frequency,sumanddifferencefrequencies,andthetimedomainsignalareusefulinidentifyingthenature,location,combination,andsizeofdefects.

本章节描述了如何通过分析运动部件产生的频率来识别滚动轴承的缺陷。

轴承滚道，滚动元件和保持架上的缺陷会产生不同的频率。

频谱形状，振幅，频率，和差频率，以及时域信号都有助于辨认缺陷的性质，位置，组合和大小。

Methodsarepresentedtocalculatethebearingfrequencies;identifyifthebearingisinathrustorradialload;calculatethelengthofinnerracedefectswiththetimedomainsignal;andmeasurethelengthofadefectontheouterraceinthefrequencydomainspectra.Thenatureofthedefect,suchasshallowflaking,deepfatiguespalls,corrosion,acidetching,fluting,andinadequatelubricationcanbedeterminedbyanalyzingthefrequencyandtimedomaindata.Thesetechniquescanalsoidentifybearingswithexcessiveclearanceandbearingsthatarenotproperlyinstalled,suchasthoseturningontheshaftorlooseinthehousing.Techniquesusedtopredictthelifespanofadefectivebearingarediscussed.

提出计算轴承频率的方法；确定轴承是否承受轴向或径向负荷；通过时域信号计算内圈缺陷长度；通过频域谱估算外圈上某个缺陷的长度。

缺陷的性质，如浅层剥落，深层疲劳碎裂，腐蚀，酸蚀，电蚀和润滑不足等都可以通过分析频域和时域数据确定。

这些技术也可以用于识别轴承游隙过量以及轴承安装不当，例如跑内圈或跑外圈。

对预测有缺陷轴承寿命的技术进行了讨论。

DATACOLLECTION数据采集

Datacollectionisthemostimportantstepinevaluationofbearingcondition.Datashouldbecollectedbyplacingthetransducerinthebearingloadzonewithduerespecttoflexibility.Ifthisisnotdone,thebestsignaldefinitionmaynotbeobtained.Forexample,witharadialbearinginaradialload,thebestsignalisobtainedintheradialposition.Foranangularcontactbearingoraradialbearinginathrustload,thebestsignaldefinitionisobtainedintheaxialdirection.Themachineinternalgeometry,aswellaswhichproblemsgenerateradialorthrustloads,mustbedeterminedinordertoproperlyplacethetransducer.Datashouldbetakenwherethetransferfunctionisbest;forexample,putthetransduceronabolthead,notthecover.Forpillow-block,tendingsidedryer,andsimilarbearings,thetransducershouldbeplacednearthetopofthebearing.Forbearingsingearhousings,thetransducershouldbeplacedonaboltheadintheloadzone.

数据采集是评估轴承状况最重要的一步。

采集数据时应该把传感器布置在轴承的承载区同时兼并灵活性。

不这样做就无法获得最好的清晰信号。

举例，在一个承受径向载荷的径向轴承，径向承载区可以采集到最好的信号。

对于角接触轴承和径向轴承承受轴向载荷时，最佳的信号的采集位置是在轴向。

为了合理安装传感器，必须确认设备内部构造，以及哪些故障会产生径向或轴向载荷。

数据应当在信号传递路径最好的位置采集；例如，把传感器放在螺栓头上，而不是轴承座端盖上。

针对枕式轴承,操作侧吹风机，和类似的轴承，传感器应当被放在接近轴承顶部的位置。

齿轮箱里的轴承，传感器应该放在承载区的螺栓头部上。

TRANSDUCERSELECTION传感器的选择

Successorfailureindiagnosingbearingdefectsoftendependsontheselectionofthepropertransducer.Thediscussionsoftransducerselectioninotherchaptersapply.However,afewwordsshouldbeaddedhere.Sphericalrollerbearingsrotatingat1200RPMcangenerateharmonicsofBPFOinthe3,000Hzrangewhenflutingoccurs.Anaccelerometermustbeusedinsuchcases.

诊断轴承缺陷成功或失败通常取决于是否选择了适当的传感器。

关于传感器的选择其他章节已经讨论过。

但是，这里需要做一些简单说明。

转速1200RPM的球面滚子轴承，当出现电蚀的时候能在3000HZ范围内产生外圈缺陷频率的谐波。

其他类似情况必须使用加速度传感器

Lowspeedmachinesrotatingaslowas2or3RPM,othermachineswhenbearingfrequenciesarebelow10Hz,andlightweightshaftsinstalledinheavyhousingsallrequireeithercontactingornon-contactingdisplacementtransducersforaccuratediagnostics.

低速设备的转速可能只有2或3RPM，其他设备如当轴承频率低于10HZ时以及重量轻的轴安装在较重的轴承座中时都需要接触式或非接触位移传感器才可以准确诊断

Thevelocitytransducerisstillthebestchoiceforfrequenciesbetween10and2,000Hz.

针对频率处在10-2000Hz内的设备，速度传感器依然是最好的选择。

GENERATEDFREQUENCIES产生的频率

Inordertounderstandtherelationshipsbetweenthedifferentrotatingelementsofabearing,theequationsdescribingtherelativespeedsmustfirstbedeveloped.Theseequationsdefinethefrequenciesgeneratedbyantifrictionbearings.Amachinewithadefectivebearingcangenerateatleastfivefrequencies.Thesefrequenciesare:

为了理解一个轴承不同旋转部件之间的关系，必须先建立一个描述其相对速度关系的公式。

这些公式定义滚动轴承产生的频率。

这些频率分别为：

1.Rotatingunitfrequencyorspeed（S）

2.Fundamentaltrainfrequency（FTF）

3.Ballpassfrequencyoftheouterrace（BPFO）

4.Ballpassfrequencyoftheinnerrace（BPFI）

5.Twotimesballspinfrequency（2XBSF）

1旋转部件的频率或速度（S）

2轴承保持架故障频率（FTF）

3外圈通过频率（BPFO）

4内圈通过频率（BPFI）

52倍的滚珠滚动频率（2XBSF）

Figs.5-1and5-2showtheaxialandcross-sectionalviewsofthegeometryforaballbearing,wherevo,vcandviarethelinearvelocitiesoftheouterrace,ballcenter,andinnerrace,respectively.Bdistheballdiameter,Pdisthepitchdiameterofthebearingandismeasuredfromballcentertoballcenter,andΦisthecontactangle.Ifaverticallineisdrawnthroughthebearingandanotherlineisdrawnwheretheballcontactstheinnerandouterraces,theanglebetweenthetwolinesisthecontactangle.SeeFig.5-2.

图5-1和5-2显示了一个普通深沟球轴承的侧面及轴向剖视图，其中vo,vc和vi分别是外圈，滚珠和内圈的线性速度。

Bd是滚珠直径，Pd是轴承的节圆直径（滚动体中心圆直径），即对称位置的滚珠的中心距。

Φ是接触角。

如果垂直画线垂直通过轴承中心，在画一条线连接滚珠和内外圈的接触点，那么这两条线之间的夹角就是接触角。

请参见图5-2。

FundamentalTrainFrequency轴承保持架故障频率

Thetrainorcagefrequencyisequivalenttotheangularvelocityoftheindividualballcenters.FromFig.5-1,thelinearvelocityofeachballcentercanbedescribedas,

轴承保持架故障频率可被描述为单个滚珠中心的角速度。

图5-1所示，每个滚珠中心线速度可被描述为，

Angularvelocity（ω）isdefinedasthelinearvelocity（v）aboutaradius（r）or,

角速度（ω）可被定义为线速度（v）除以半径（r）,即：

Therefore因此可得到保持架的角速度公式3

whereωc,istheangularvelocityoftheballcenterorcage.Sincev=ω/rfromEquation2,ωccanbeexpressedasEquation4,whereωiandωoaretheangularvelocitiesoftheinnerandouterbearingraces.Thequantityωcisalsoknownasthefundamentaltrainfrequency.

公式3中ωc是滚珠中心或保持架的角速度。

利用公式2中的v=ω/r，ωc可用公式4来表述，ωi和ωo分别为轴承内外圈滚道的角速度。

ωc的数值也被认为是保持架故障频率。

BallPassFrequencyofOuterRace滚珠外圈通过频率

Theballpassfrequencyoftheouterraceisdefinedasthefrequencyoftheballspassingoverasinglepointontheouterrace.TheBPFOcanbedescribedasthenumberofballsmultipliedbythedifferencefrequencybetweenthecageandtheouterraceor,

滚珠外圈通过频率被定义为滚珠通过外圈滚道面上某一点的频率。

BPFO可被说成是滚珠数乘以保持架和外圈的频率差，即：

whichcanberewritten,usingEquation4,asEquation6whereNbisthenumberofballs.

公式5可通过公式4变化，得到公式6，其中Nb为滚珠的数量。

BallPassFrequencyofInnerRace内圈通过频率

Theballpassfrequencyoftheinnerraceisdefinedasthefrequencyoftheballspassingoverasinglepointontheinnerrace.TheBPFIcanbedescribedasthenumberofballsmultipliedbythedifferencefrequencybetweentheinnerraceandthecageor,

滚珠内圈通过频率被定义为滚珠通过内圈滚道面上某一点的频率。

BPFI可被描述为滚珠数乘以内圈和保持架的频率差，即：

whichcanberewritten,againusingEquation4,asEquation8.

公式7可通过公式4变换，即公式8.

BallSpinFrequency滚珠自转频率

Theangularvelocityofaballaboutitscentercanbeexpressedintwodifferentways.First,consideringthelinearvelocityofapointontheinnerraceincontactwiththeballsurface,thelinearvelocity（Vb）ofapointontheballsurfaceisgivenas

滚珠相对其自身中心的角速度可通过两种不同方式表达。

首先，通过到滚珠表面与内圈接触的某一点的线速度来说明，滚珠表面的某一点线速度Vb为：

whereri,istheradiusoftheinnerrace.Theballangularvelocityorballspinfrequencyisthen

ri为内圈半径。

滚珠角速度或滚珠自转频率为：

or,fromFig.5-2,

由图5-2可得到公式11

whererb,istheradiusoftheball.Equation11canalsoberewritten,usingEquation4,asEquation12.

rb为滚珠半径。

公式11同样可使用公式4变换，其结果为公式12。

Second,consideringthelinearvelocityofapointontheouterraceincontactwiththeballsurface,thelinearvelocityofapointontheballsurfaceisgivenas

其次，从滚珠表面与外圈接触的某一点的线速度来说明，此时滚珠表面某一点线的速度可表示为：

Therefore,因此

wherero,istheradiusoftheouterrace.TheballspinfrequencycanthenbeexpressedasEquation15,whichisexactlythesameasEquation12.

ro为外圈滚道半径。

滚珠自转频率可通过公式15表示，其公式变化过程参考公式12。

ApplicationoftheBearingFormulas轴承公式的运用

Equations4,6,8,and12aregeneralformulaswhereeitherbearingrace,orboth,couldberotating.Also,thebearingcanhaveeitherballsorrollersandthecontactanglemaybeequaltozeroasindeepgrooveballbearings.

公式4，6，8和公式12是常用公式，可在轴承任一滚道或两个滚道一起旋转的情况下使用。

另外，轴承可能是滚珠或滚子并且接触角可能像深沟球轴承那样为0。

Forthecasewheretheouterraceisstationaryandtheinnerraceisrotating,

针对内圈转动外圈固定的情况，

whereSistheangularvelocityorspeedoftherotatingsystem.Equations4,6,8,and12canthenbereducedto:

S为系统角速度或旋转速度。

公式4,6,8和公式12可缩写为：

Forthecasewheretheinnerraceisstationaryandtheouterraceisrotating

针对内圈固定外圈转动的情况，

Equations4,6,8and12canthenbereduced,inthiscase,to

在这种情况下，公式4,6,8和12也可缩写为：

TheformulaforBSFcalculatesthespeedoftheballorroller.However,thefrequencygeneratedbyrollerspeedisseldommeasured.Thisistruebecausetheballsorrollersareincasedinthecageandbetweentheinnerandouterraces.Ifoneoftherollingelementshasadefectofanykind,thedefectcanstriketheinnerandouterracesand/orthefrontandbacksideofthecagealternately.ThisgeneratestwotimesBSFbecausethetimingforeacheventisexactandoccurswhentherollerrotateshalfarevolution.

BSF的公式计算了滚珠或滚子的自转速度。

然而，很少测量到由滚子自转产生的频率。

的确，这是因为滚珠或滚子都装在保持架中并且处在内外圈滚道之间。

如果某一个滚动部件有某种缺陷，则缺陷会击打在内外圈面上或交替击打在保持架的前后两侧上。

这产生了2xBSF，因为当滚子旋转每半个周期时该事件都以非常精确的时间发生。

Alloftheseidealbearingfrequencyformulasarebasedontheassumptionofpurerollingcontactbetweentherollersandraces.Thesmallerrorresultingfromanyslippingofthesesurfaceswouldproducesomewhatlowervaluesintheaboveequations.Also,ifthebearingisturningontheshaftorinthehousing,thebearingfrequenciescanbelower.Whenloosenessisinvolved,thespectrallinesatthebearingfr